Фактові файли про джерела енергії. Джерела сонячних батарей

Сонячний елемент

Фотоелектричні сонячні елементи. це тонкі кремнієві диски, які перетворюють сонячне світло в електрику. Ці диски діють як джерела енергії для широкого спектру застосувань, включаючи: калькулятори та інші невеликі пристрої; телекомунікації; панелі на дахах індивідуальних будинків; а також для освітлення, насосів і медичного охолодження для сіл у країнах, що розвиваються. Сонячні елементи у вигляді великих масивів використовуються для живлення супутників і, в рідкісних випадках, для забезпечення електроенергією електростанцій.

Коли почалися дослідження електрики і були виготовлені і вивчені прості батареї, дослідження сонячної електроенергії пішли напрочуд швидко. Ще в 1839 році Антуан-Сезар Беккерель виставив хімічну батарею на сонце, щоб побачити, як вона виробляє напругу. Ефективність цього першого перетворення сонячного світла в електрику становила один відсоток. Тобто один відсоток сонячного світла, що надходив, перетворювався на електрику. Віллоубі Сміт у 1873 році виявив, що селен чутливий до світла; у 1877 році Адамс і Дей відзначили, що селен під впливом світла виробляє електричний струм. Чарльз Фріттс у 1880-х роках також використовував позолочений селен для створення першого сонячного елемента, ефективність якого знову ж таки становила лише один відсоток. Тим не менш, Фріттс вважав свої елементи революційними. Він передбачав, що безкоштовна сонячна енергія стане засобом децентралізації, передбачаючи, що сонячні батареї замінять електростанції в індивідуальних житлових будинках.

Після пояснення Альбертом Ейнштейном у 1905 році фотоефекту. метал поглинає енергію світла і зберігає її доти, доки на нього не потрапить занадто багато світла. знову злетіла надія на те, що сонячна електроенергія з вищою ефективністю стане можливою. Однак прогрес був незначним, поки дослідження діодів і транзисторів не принесли знання, необхідні вченим компанії Bell Гордону Пірсону, Деррілу Чапіну і Келу Фуллеру для створення кремнієвого сонячного елемента з чотирма відсотками ефективності в 1954 році.

Подальша робота дозволила підвищити ефективність комірки до 15 відсотків. Вперше сонячні елементи були використані в сільському та ізольованому місті Амерікус, штат Джорджія, як джерело живлення для телефонної релейної системи, де вони успішно використовувалися протягом багатьох років.

Тип сонячної батареї, який би повністю задовольняв внутрішні енергетичні потреби, ще не розроблений, але сонячні батареї стали успішними в забезпеченні енергією штучних супутників Землі. Паливні системи і звичайні батареї були занадто важкими для програми, де кожна унція мала значення. Сонячні елементи дають більше енергії на унцію ваги, ніж всі інші традиційні джерела енергії, і вони економічно вигідні.

Було створено лише кілька великомасштабних фотоелектричних енергетичних систем. Більшість зусиль спрямовані на забезпечення технологією сонячних батарей віддалених місць, які не мають інших джерел енергії. Щороку встановлюється близько 50 мегават, але сонячні батареї забезпечують лише близько. 1 відсоток всієї електроенергії, що виробляється зараз. Прихильники сонячної енергетики стверджують, що кількість сонячного випромінювання, яка щороку досягає поверхні Землі, може легко забезпечити всі наші потреби в енергії в кілька разів більше, проте сонячним елементам належить пройти ще довгий шлях, перш ніж вони здійснять мрію Чарльза Фрітца про безкоштовну, повністю доступну сонячну електроенергію.

Сировина

Основний компонент сонячної батареї. чистий кремній, який не є чистим у своєму природному стані.

Для виготовлення сонячних елементів сировину. діоксид кремнію з кварцитового гравію або подрібненого кварцу. спочатку поміщають в електродугову піч, де за допомогою вуглецевої дуги виділяється кисень. Продуктами є вуглекислий газ і розплавлений кремній. На даний момент кремній все ще недостатньо чистий, щоб використовувати його для сонячних елементів, і потребує подальшого очищення.

Чистий кремній отримують з таких діоксидів кремнію, як кварцитовий гравій (найчистіший кремнезем) або подрібнений кварц. Отриманий чистий кремній потім легується (обробляється) фосфором і бором, щоб створити надлишок електронів і дефіцит електронів відповідно, щоб зробити напівпровідник здатним проводити електрику. Кремнієві диски блискучі і вимагають покриття антивідблиску, зазвичай діоксиду титану.

Сонячний модуль складається з кремнієвого напівпровідника, оточеного захисним матеріалом в металевому каркасі. Захисний матеріал складається з інкапсулянта з прозорої кремнієвої гуми або бутилового пластику (зазвичай використовується в автомобільному лобовому склі), скріпленого навколо комірок, які потім занурені в етиленвінілацетат. Поліефірна плівка (наприклад, майлар або тедлар) складає основу. На наземних решітках використовується скляна кришка, на супутникових. легка пластикова кришка. Електронні частини є стандартними і складаються переважно з міді. Рама або сталева, або алюмінієва. Кремній використовується як цемент, щоб зібрати все разом.

Виробничий процес

Очищення кремнію

  • 1 Діоксид кремнію з кварцитового гравію або подрібненого кварцу поміщають в електродугову піч. Потім застосовується вуглецева дуга для вивільнення кисню. Продуктами є вуглекислий газ і розплавлений кремній. Цей простий процес дає кремній з однопроцентним вмістом домішок, корисний у багатьох галузях промисловості, але не в індустрії сонячних елементів.
  • 2 99-відсотковий чистий кремній очищується ще більше за допомогою методу плаваючої зони. Стрижень з домішками кремнію пропускають через нагріту зону кілька разів в одному напрямку. Ця процедура тягне домішки до одного кінця з кожним проходом. У певний момент кремній вважається чистим, а нечистий кінець видаляється.

Виготовлення монокристалічного кремнію

  • 3 Сонячні елементи виготовляються з кремнієвих буль, полікристалічних структур, які мають атомну структуру монокристала. Найбільш часто використовуваний процес створення буль називається метод Чохральського. У цьому процесі в розплавлений полікристалічний кремній занурюють затравку кристала кремнію. При витягуванні та обертанні кристала-затравки утворюється циліндричний злиток або буль кремнію. Злиток, що виймається, є надзвичайно чистим, оскільки домішки мають тенденцію залишатися в рідині.

Виготовлення кремнієвих пластин

  • 4 З буль кремнієві пластини нарізають по одній за допомогою циркулярної пилки, внутрішній діаметр якої врізається в стрижень, або багато відразу за допомогою багатодротяної пилки. (Алмазна пила робить розрізи завширшки як пластина. 5 міліметрів).) Лише близько половини кремнію втрачається з бульбашки до готової круглої пластини. більше, якщо пластину потім розрізати до прямокутної або гексагональної форми. Прямокутні або шестикутні пластини іноді використовуються в сонячних елементах, оскільки вони можуть бути ідеально підігнані одна до одної, тим самим використовуючи весь доступний простір на передній поверхні сонячного елемента.

Після первинного очищення кремній додатково очищується в процесі плаваючої зони. У цьому процесі кремнієвий стрижень кілька разів пропускають через нагріту зону, яка служить для “перетягування домішок до одного кінця стрижня”. Потім нечистий кінець можна видалити. Далі кристал кремнію поміщають в апарат Чохральського, де він занурюється в розплавлений полікристалічний кремній. Кристал затравки обертається, коли його витягують, утворюючи циліндричний злиток дуже чистого кремнію. Потім із злитка нарізають пластини.

Легування

  • 6 Традиційний спосіб легування (додавання домішок) кремнієвих пластин бором і фосфором полягає у введенні невеликої кількості бору під час процесу Чохральського на етапі #3 вище. Потім пластини з’єднують одна з одною і поміщають у піч, де вони нагріваються до температури трохи нижче температури плавлення кремнію (2570 градусів за Фаренгейтом або 1410 градусів за Цельсієм) у присутності фосфорного газу. Атоми фосфору заглиблюються в кремній, який стає більш пористим, оскільки він близький до того, щоб стати рідиною. Температура і час процесу ретельно контролюються, щоб забезпечити рівномірний перехід належної глибини. Більш сучасний спосіб легування кремнію фосфором полягає у використанні невеликого прискорювача частинок для вистрілювання іонів фосфору в злиток. Керуючи швидкістю іонів, можна контролювати глибину їх проникнення. Однак цей новий процес, як правило, не був прийнятий комерційними виробниками.

Розміщення електричних контактів

  • 7 Електричні контакти з’єднують один сонячний елемент з іншим і з приймачем виробленого струму. Контакти повинні бути дуже тонкими (принаймні спереду), щоб не перекривати сонячне світло до комірки. Метали, такі як паладій/срібло, нікель або мідь, випаровуються у вакуумі

Ця ілюстрація показує будову типового сонячного елемента. Елементи інкапсульовані в етиленвінілацетат і поміщені в металевий каркас, який має майларову підкладку і скляну кришку.

Антиблікове покриття

  • 9 Оскільки чистий кремній блискучий, він може відбивати до 35 відсотків сонячного світла. Щоб зменшити кількість втраченого сонячного світла, на кремнієву пластину наносять антивідблискове покриття. Найчастіше використовуються покриття з діоксиду титану та оксиду кремнію, хоча застосовуються й інші. Матеріал, що використовується для покриття, або нагрівається до тих пір, поки його молекули не закиплять і не перемістяться до кремнію і не сконденсуються, або матеріал піддається розпиленню. У цьому процесі висока напруга вибиває молекули з матеріалу і осаджує їх на кремнії на протилежному електроді. Інший метод полягає в тому, що сам кремній реагує з кисневмісними або азотовмісними газами, утворюючи діоксид або нітрид кремнію. Комерційні виробники сонячних елементів використовують нітрид кремнію.

Інкапсуляція комірки

  • 10 Готові сонячні елементи потім інкапсулюються, тобто запечатуються в кремнієву гуму або етиленвінілацетат. Потім інкапсульовані сонячні елементи поміщаються в алюмінієву раму, яка має майларову або тедларову підкладку і скляну або пластикову кришку.

Контроль якості

Контроль якості є важливим у виробництві сонячних елементів, оскільки невідповідність багатьох процесів і факторів може негативно вплинути на загальну ефективність елементів. Основна мета досліджень. знайти способи підвищити ефективність кожного сонячного елемента протягом більш тривалого терміну служби. Проект “Недорогі сонячні батареї” (ініційований Міністерством енергетики США в кінці 1970-х років) спонсорував приватні дослідження, спрямовані на зниження вартості сонячних елементів. Сам кремній перевіряється на чистоту, кристалічну орієнтацію та питомий опір. Виробники також перевіряють струну на наявність кисню (який впливає на її міцність і стійкість до деформації) і вуглецю (який викликає дефекти). Готові кремнієві диски перевіряються на наявність будь-яких пошкоджень, відшарувань або вигинів, які могли виникнути під час розпилювання, полірування та травлення.

Протягом усього процесу виробництва кремнієвих дисків постійно контролюється температура, тиск, швидкість і кількість домішок. Також вживаються заходи для того, щоб домішки в повітрі та на робочих поверхнях були зведені до мінімуму.

Потім готові напівпровідники повинні пройти електричні випробування, щоб переконатися, що струм, напруга і опір для кожного з них відповідають відповідним стандартам. Раніше проблемою сонячних елементів була тенденція до припинення роботи при частковому затіненні. Цю проблему було вирішено за допомогою шунтуючих діодів, які знижують небезпечно високу напругу в комірці. Потім необхідно перевірити шунтуючий опір, використовуючи частково затінені переходи.

Важливим випробуванням сонячних модулів є створення умов та інтенсивності світла, з якими вони стикаються в звичайних умовах, а потім перевірка їхньої працездатності. Елементи також піддаються впливу спеки та холоду, випробовуються на вібрацію, скручування та град.

Фінальним випробуванням для сонячних модулів є польові випробування, під час яких готові модулі розміщують там, де вони фактично будуть використовуватися. Це забезпечує дослідника найкращими даними для визначення ефективності сонячного елемента в умовах навколишнього середовища та ефективного терміну служби сонячного елемента, що є найбільш важливими факторами з усіх.

Майбутнє

Враховуючи нинішній стан відносно дорогих, неефективних сонячних елементів, майбутнє може тільки покращитися. Деякі експерти прогнозують, що до 2000 року це буде індустрія з мільярдним оборотом. Цей прогноз підтверджується даними про те, що в таких країнах, як Японія, Німеччина та Італія, розробляється все більше фотоелектричних систем на дахах будинків. Плани розпочати виробництво сонячних елементів були створені в Мексиці та Китаї. Аналогічно, Єгипет, Ботсвана і Філіппіни (всі три країни за підтримки американських компаній) будують заводи з виробництва сонячних батарей.

Більшість поточних досліджень спрямовані на зниження вартості сонячних елементів або підвищення ефективності. Інновації в технології сонячних елементів включають розробку і виробництво дешевших альтернатив дорогим кристалічним кремнієвим елементам. Ці альтернативи включають сонячні вікна, які імітують фотосинтез, і менші елементи, виготовлені з крихітних амоних кремнієвих кульок. Вже зараз амоний кремній та полікристалічний кремній набирають популярності за рахунок монокристалічного кремнію. Додаткові інновації включають мінімізацію тіні та фокусування сонячного світла за допомогою призматичних лінз. Це включає шари різних матеріалів (зокрема, арсеніду галію і кремнію), які поглинають світло на різних частотах, тим самим збільшуючи кількість сонячного світла, що ефективно використовується для виробництва електроенергії.

Деякі експерти передбачають адаптацію гібридних будинків, тобто будинків, які використовують сонячні водонагрівачі, пасивне сонячне опалення та сонячні батареї для зменшення потреб в енергії. Інша точка зору стосується космічного шатла, який виводить на орбіту все більше і більше сонячних батарей, супутника сонячної енергії, який передає енергію на земні ферми сонячних батарей, і навіть космічної колонії, яка буде виробляти сонячні батареї для використання на Землі.

Де можна навчитися

Книги

Буллок, Чарльз Е. і Peter H. Грами. Сонячна електроенергія: Як змусити сонце працювати на вас. Monegon, Ltd., 1981.

Комп, Річард Дж. Практична фотоелектрика. Aatec Publications, 1984.

Making and Using Electricity from the Sun. Tab Books, 1979.

Periodicals

Crawford, Mark. DOE’s Born-Again Solar Energy Plan, Science. March 23, 1990, pp. 1403-1404.

Waiting for the Sunrise, Economist. May 19, 1990, pp. 95.

Edelson, Edward. Solar Cell Update, Popular Science. June, 1992, p. 95.

Murray, Charles J. Solar Power’s Bright Hope, Design News. March 11, 1991, p. 30.

Energy Source Fact Files!

To help you get thinking about energy, we’ve got some great pages all about it!

факт, джерела, енергії, сонячних

Solar Power: Energy Source Fact File!

What is solar power? What’s a Photovoltaic cell, and how does it convert light into power?

Here’s the need-to-know stuff about the energy source, solar power!

Description

The Sun is a star and without it there would be no life on Earth. This is why the Sun is called the ultimate source of energy.

The Sun’s energy is produced by a process called nuclear fusion. Every second, the Sun emits vast amounts of energy, much of which is light. This solar radiation can be converted into electricity!

Where can you find solar power?

Solar panels can be found all over the world but they are most cost-effective in places where there is a lot of sunshine.

to click.

Researchers at Sheffield University are investigating now much energy solar can produce. Their project is called called PV_Live – it lets you can see how much energy solar power is producing right now in the UK!

How is it made into electricity?

Solar cells, also known as Photovoltaic (PV cells), convert sunlight directly into electricity. When sunlight hits the surface of the cell this causes electrons to move. This creates a current in each cell, which is combined to produce useful amounts of electricity.

PV cells are combined in solar panels and mounted on the roofs of buildings. They can also be used to power devices such as calculators and watches!

What are the advantages of using solar power?

  • Solar energy is plentiful, free, and renewable.
  • Solar panels do not produce any carbon dioxide emissions when converting solar power into electricity.
  • Solar power can be used to create electricity in remote places where it might be very hard to get electricity through the National Grid.

What are the disadvantages of using solar power?

  • It can be costly to fit enough solar panels to power a home or building.
  • PV cells are less efficient in cloudy countries such as the UK.

We’ve got a whole series about energy, electricity, and power generation! It’s called Curious Kate, and you can listen to it below!

Energy Source Fact Files!

Learn about different types of energy and how they help generate electricity!

Energy Source Fact Files!

Learn about different types of energy and how they help generate electricity!

How Are Solar Panels Made? What Solar Panels Are Made of How They Are Manufactured

Solar energy’s popularity has rapidly increased in the last several years, making a significant impact on the energy market. According to the Solar Energy Industries Association, the U.S. has installed enough solar to power 13.1 million homes and total U.S. solar capacity is projected to more than double by 2024.

As solar energy use becomes more prevalent, so does information about how it’s harnessed and used. Photovoltaic, or solar, panels can often be found in both commercial and residential areas. How are these panels made, and what materials are used to manufacture them?

The table below outlines the raw materials and parts comprising a solar panel.

Silicon is the basic material for conductive electrical components. Before it can be used, it must undergo a treatment process that removes impurities and converts it to pure silicon, or polysilicon. The industry shouldn’t face material shortages any time soon; silicon is abundant, making up one-quarter of the earth’s crust by weight.

Once the silicon is rid of impurities, it is turned into ingots, which are pure silicon cylinders. The ingots are made from a crystal of silicon that is dipped into polycrystalline silicon. The impurities remain in the melted liquid, so the ingot forms as a completely pure cylinder. From there, the ingot is sliced into.5-millimeter-thick wafers, which are shaped into rectangular or hexagonal shapes so they can fit tightly together.

Boron and phosphorus are added to the wafers through a doping process. The wafers are heated in order to allow atoms from these elements, or dopants, to enter the silicon. When these elements are added to the polysilicon, the first result is an excess of electrons, which is then followed by a deficiency of them. This allows the polysilicon to act as a semiconductor.

To conduct a large amount of electricity, many cells must be connected together by electrical contacts. The group is then connected to the receiver. An anti-reflective coating is applied to the panel to prevent loss of sunlight and wasted energy. The cells are then sealed into a rubber or vinyl acetate, framed in aluminum and covered in glass or plastic.

Silicon: Raw Material in Solar Cells

Silicon is the second most common element in the earth’s crust. According to the Minerals Education Coalition, it isn’t found pure in nature; rather, it’s found combined with oxygen in rocks such as obsidian, granite, and sandstone, in a form known as silica. Silicon can be mined from quartzite, mica, and talc, but sand is its most abundant ore source. The silicon in solar panels is manufactured through a reduction process in which the silica is heated with a carbon material and the oxygen is removed, leaving behind purer, metallurgical-grade silicon.

From there, the grade must be further purified into polysilicon, the solar-grade purity of which is 99.999 percent. To yield polysilicons of different grades, several processes may be applied to the element. For electronic-grade polysilicon, which has a higher purity percentage, the metallurgical-grade silicone must pass through hydrogen chloride at extremely high temperatures and undergo distillation. But to yield a solar-grade end product, the silicone goes through a chemical refinement process. In this process, gases are passed through melted silicon to remove impurities such as boron and phosphorus. In its pure form, solar-grade silicon is then turned into cylinders called ingots, which are then sliced into the small conductive pieces that absorb the sunlight in solar panels.

Ingots Wafers: The Backbone of Solar Cells

Several types of wafers are cut from the ingots: monocrystalline, polycrystalline and silicon ribbons. They differ in terms of their efficiency in conducting sunlight and the amounts of waste they produce.

Monocrystalline wafers are thinly cut from a cylindrical ingot that has a single-crystal structure, meaning that it is comprised of a pure, uniform crystal of silicon. A diamond saw is used to cut the wafers off the cylinder, resulting in a circular shape. However, since circles don’t fit tightly together, the circular wafers are further cut into rectangle or hexagonal shapes, resulting in wasted silicon from the pieces that are removed. According to GreenRhinoEnergy.com, this wasted silicon can be recycled into polysilicon and recut. Researchers are trying to find ways to create monocrystalline cells without so much cutting and waste.

Polycrystalline, sometimes called multicrystalline, ingots are made of multiple crystal structures. They may produce less waste, but they are not as efficient as monocrystalline. The ingots are cube-shaped because they are made from melted silicon poured into a shaped cast. This means the wafers can be cut directly into the desired shape, creating less waste.

Silicon ribbons are thin sheets of multicrystalline silicon. They are so thin that they don’t have to be sliced into wafers. While the thin sheets, or thin films, are flexible, can be used in interesting ways and are less expensive to manufacture, they’re not as durable as wafers and they require more support than other solar panel structures.

Solar Cells: Adding Dopants to Activate the Wafer

While the silicon wafers are complete at this point, they won’t conduct any energy until they go through the doping process. This process involves the ionization of the wafers and the creation of a positive-negative (p-n) junction. The wafers are heated in cylinders at a very high temperature and put into water. Then the top layer of the cylinder is exposed to phosphorus (a negative electrical orientation) while the bottom layer is exposed to boron (a positive electrical orientation). The positive-negative junction of the cell allows it to function properly in the solar panel.

After this step, only a few more things need to happen in order to create a functioning cell. Because silicon naturally reflects sunlight, there is a considerable risk of losing much of the potential energy from the sun that the cells are supposed to absorb. To minimize this reflection, manufacturers coat the cells with antireflective silicon nitride, which gives the cells the final blue color we see in installed panels.

From there, manufacturers implement a system for collecting and distributing the solar energy. This is done through a silk-screen or screen-printing process in which metals are printed on both sides of the cell. These metals make a roadmap for the energy to travel through on its way to the receiver.

Solar Panels: Assembling Cells Into Useful Devices

Solar panel manufacturers employ different proprietary processes to produce their final solar panel products. But, in general, this is an automated process in which robots do the work. First, the cells must be put together to form a big sheet. According to Solar World, a leading manufacturer of solar panels, its process involves soldering six strings of ten cells each, making a rectangle of 60 cells. Each rectangular matrix is laminated onto glass and quickly becomes a larger panel. From there, the panel needs to be framed so that it is sturdy and protected from any weather it will endure.

In addition, the framing must house the electrical equipment that links the panels together and receives the energy.

Where Does Polysilicon Come From?

Polysilicon has one origin: silica. Silica is mined from the earth and is found in sand, rock, and quartz. Because silica has a dioxide component, it must be taken to a plant, where it is converted to silicon through a heating process. According to the United States Geological Society, there are six domestic companies that produce silicon materials at eight plants. These are all located east of the Mississippi River. Imported silicon comes from all around the world, including China, Russia, Japan, Brazil, South Africa, Canada, Australia, and others.

Solar Cells

Solar cells are in fact large area semiconductor diodes. Due to photovoltaic effect energy of light (energy of photons) converts into electrical current. At p-n junction, an electric field is built up which leads to the separation of the charge carriers (electrons and holes). At incidence of photon stream onto semiconductor material the electrons are released, if the energy of photons is sufficient. Contact to a solar cell is realised due to metal contacts. If the circuit is closed, meaning an electrical load is connected, then direct current flows. The energy of photons comes in packages which are called quants. The energy of each quantum depends on the wavelength of the visible light or electromagnetic waves. The electrons are released, however, the electric current flows only if the energy of each quantum is greater than WL. WV (boundaries of valence and conductive bands). The relation between frequency and incident photon energy is as follows:

h. Planck constant (6,626·10.34 Js), μ. frequency (Hz)

Crystalline solar cells

Among all kinds of solar cells we describe silicon solar cells only, for they are the most widely used. Their efficiency is limited due to several factors. The energy of photons decreases at higher wavelengths. The highest wavelength when the energy of photon is still big enough to produce free electrons is 1.15 μm (valid for silicon only). Radiation with higher wavelength causes only heating up of solar cell and does not produce any electrical current. Each photon can cause only production of one electron-hole pair. So even at lower wavelengths many photons do not produce any electron-hole pairs, yet they effect on increasing solar cell temperature. The highest efficiency of silicon solar cell is around 23 %, by some other semi-conductor materials up to 30 %, which is dependent on wavelength and semiconductor material. Self loses are caused by metal contacts on the upper side of a solar cell, solar cell resistance and due to solar radiation reflectance on the upper side (glass) of a solar cell. Crystalline solar cells are usually wafers, about 0.3 mm thick, sawn from Si ingot with diameter of 10 to 15 cm. They generate approximately 35 mA of current per cm 2 area (together up to 2 A/cell) at voltage of 550 mV at full illumination. Lab solar cells have the efficiency of up to 30 %, and classically produced solar cells up to 20 %.

Wafers and crystalline solar cells (courtesy: SolarWorld)

Amorphous solar cells

The efficiency of amorphous solar cells is typically between 6 and 8 %. The Lifetime of amorphous cells is shorter than the lifetime of crystalline cells. Amorphous cells have current density of up to 15 mA/cm 2. and the voltage of the cell without connected load of 0.8 V, which is more compared to crystalline cells. Their spectral response reaches maximum at the wavelengths of blue light therefore, the ideal light source for amorphous solar cells is fluorescent lamp.

Surface of different solar cells as seen through microscope (courtesy: Helmholtz-Zentrum Berlin)

Solar Cell Models

The simplest solar cell model consists of diode and current source connected parallelly. Current source current is directly proportional to the solar radiation. Diode represents PN junction of a solar cell. Equation of ideal solar cell, which represents the ideal solar cell model, is:

IL. light-generated current [1] (A), Is. reverse saturation current [2] (A) (aproximate range 10.8 A/m 2 ) V. diode voltage (V), VT. thermal voltage (see equation below), VT = 25.7 mV at 25°C n. diode ideality factor = 1. 2 (n = 1 for ideal diode)

Thermal voltage VT (V) can be calculated with the following equation:

k. Boltzmann constant = 1.38·10.23 J/K, T. temperature (K) q. charge of electron = 1.6·10.19 As

FIGURE 1: Ideal solar cell model

FIGURE 2: Real Solar cell model with serial and parallel resistance [3] Rs and Rp, internal resistance results in voltage drop and parasitic currents

The working point of the solar cell depends on load and solar irradiation. In the picture, I-V characteristics at short circuit and open circuit conditions can be seen. Very important point in I-U characteristics is Maximum Power Point, MPP. In practice we can seldom reach this point, because at higher solar irradition even the cell temperature increases, and consequently decreasing the output power. Series and paralell parasitic resistances have influence on I-V curve slope. As a measure for solar cell quality fill-factor, FF is used. It can be calculated with the following equation:

IMPP. MPP current (A), VMPP. MPP voltage (V) Isc. short circuit current (A), Voc. open circuit voltage (V)

In the case of ideal solar cell fill-factor is a function of open circuit parameters and can be calculated as follows:

Where voc is normalised Voc voltage (V) calculated with equation below:

k. Boltzmann constant = 1,38·10.23 J/K, T. temperature (K) q. charge of electron = 1,6·10.19 As, n. diode ideality factor (-) Voc. open circuit voltage (V)

For detailed numerical simulations more accurate models, like two diode model, should be used. For additional explanations and further solar cell models description please see literature below.

Solar Cell Characteristics

Samples of solar cell I-V and power characteristics are presented on pictures below. Typical point on solar cell characteristics are open circuit (when no load is connected), short circuit and maximum power point. Presented characteristics were calculated for solar cell with following data: Voc = 0,595 mV, Isc = 4,6 A, IMPP = 4,25 A, VMPP = 0,51 V, and PMPP temperature coefficient γ =.0,005 %/K. Calculation algorithm presented in the book Photovoltaik Engineering (Wagner, see sources) was used.

FIGURE 3: Solar cell I-V characteristics for different irradiation values

FIGURE 4: Solar cell power characteristics for different irradiation values

FIGURE 5: Solar cell I-V characteristics temperature dependency

FIGURE 6: Solar cell power characteristics temperature dependency

[1] Sometimes term photocurrent IPh is also used.
[2] Sometimes term dark current Io is also used.
[3] For paralell resistanse term shunt resistor Rsh is also used.

Simulation Tools

Open Photovoltaics Analysis Platform. Open Photovoltaics Analysis Platform (OPVAP) is a group of software used in the field of solar cells, which include analyzing experimental data, calculating optimum architecture based on your materials, and even some research assistant tools such as PicureProcess.

Organic Photovoltaic Device Model. Organic Photovoltaic Device Model (OPVDM) is a free 1D drift diffusion model specifically designed to simulate bulk-heterojuncton organic solar cells, such as those based on the P3HT:PCBM material system. The model contains both an electrical and an optical solver, enabling both current/voltage characteristics to be simulated as well as the optical modal profile within the device. The model and it’s easy to use graphical interface is available for both Linux and Windows.

Other Technologies. Links

NanoFlex Power. flexible organic solar cells.

sphelar power. spherical solar cells technology.

Solar Cell

The Solar Cell block represents a solar cell current source.

The solar cell model includes the following components:

Solar-Induced Current

The block represents a single solar cell as a resistance Rs that is connected in series with a parallel combination of the following elements:

The following illustration shows the equivalent circuit diagram:

факт, джерела, енергії, сонячних

I = I p h − I s ( e ( V I R s ) / ( N V t ) − 1 ) − I s 2 ( e ( V I R s ) / ( N 2 V t ) − 1 ) − ( V I R s ) / R p

  • Ir is the irradiance (light intensity), in W/m 2. falling on the cell.
  • Iph0 is the measured solar-generated current for the irradiance Ir0.
  • k is the Boltzmann constant.
  • T is the Device simulation temperature parameter value.
  • q is the elementary charge on an electron.

The quality factor varies for amorphous cells, and is typically 2 for polycrystalline cells.

The block lets you choose between two models:

  • An 8-parameter model where the preceding equation describes the output current
  • A 5-parameter model that applies the following simplifying assumptions to the preceding equation:
  • The saturation current of the second diode is zero.
  • The impedance of the parallel resistor is infinite.

If you choose the 5-parameter model, you can parameterize this block in terms of the preceding equivalent circuit model parameters or in terms of the short-circuit current and open-circuit voltage the block uses to derive these parameters.

All models adjust the block resistance and current parameters as a function of temperature.

You can model any number of solar cells connected in series using a single Solar Cell block by setting the parameter Number of series-connected cells per string to a value larger than 1. Internally the block still simulates only the equations for a single solar cell, but scales up the output voltage according to the number of cells. This results in a more efficient simulation than if equations for each cell were simulated individually.

Temperature Dependence

Several solar cell parameters depend on temperature. The solar cell temperature is specified by the Device simulation temperature parameter value.

The block provides the following relationship between the solar-induced current Iph and the solar cell temperature T:

I p h ( T ) = I p h ( 1 T I P H 1 ( T − T m e a s ) )

  • TIPH1 is the First order temperature coefficient for Iph, TIPH1 parameter value.
  • Tmeas is the Measurement temperature parameter value.

The block provides the following relationship between the saturation current of the first diode Is and the solar cell temperature T:

I s ( T ) = I s ( T T m e a s ) ( T X I S 1 N ) e ( E G ( T T m e a s − 1 ) / ( N V t ) )

where TXIS1 is the Temperature exponent for Is, TXIS1 parameter value.

The block provides the following relationship between the saturation current of the second diode Is2 and the solar cell temperature T:

I s 2 ( T ) = I s 2 ( T T m e a s ) ( T X I S 2 N 2 ) e ( E G ( T T m e a s − 1 ) / ( N 2 V t ) )

where TXIS2 is the Temperature exponent for Is2, TXIS2 parameter value.

The block provides the following relationship between the series resistance Rs and the solar cell temperature T:

R s ( T ) = R s ( T T m e a s ) T R S 1

where TRS1 is the Temperature exponent for Rs, TRS1 parameter value.

The block provides the following relationship between the parallel resistance Rp and the solar cell temperature T:

R p ( T ) = R p ( T T m e a s ) T R P 1

where TRP1 is the Temperature exponent for Rp, TRP1 parameter value.

Predefined Parameterization

There are multiple available built-in parameterizations for the Solar Cell block.

This pre-parameterization data allows you to set up the block to represent components by specific suppliers. The parameterizations of these solar cell modules match the manufacturer data sheets. To load a predefined parameterization, double-click the Solar Cell block, click the hyperlink of the Selected part parameter and, in the Block Parameterization Manager window, select the part you want to use from the list of available components.

The predefined parameterizations of Simscape™ components use available datsources for the parameter values. Engineering judgement and simplifying assumptions are used to fill in for missing data. As a result, expect deviations between simulated and actual physical behavior. To ensure accuracy, validate the simulated behavior against experimental data and refine component models as necessary.

For more information about pre-parameterization and for a list of the available components, see List of Pre-Parameterized Components.

Thermal Port

You can expose the thermal port to model the effects of generated heat and device temperature. To expose the thermal port, set the Modeling option parameter to either:

  • No thermal port — The block does not contain a thermal port and does not simulate heat generation in the device.
  • Show thermal port — The block contains a thermal port that allows you to model the heat that conduction losses generate. For numerical efficiency, the thermal state does not affect the electrical behavior of the block.

For more information on using thermal ports and on the Thermal Port parameters, see Simulating Thermal Effects in Semiconductors.

The thermal port model, shown in the following illustration, represents just the thermal mass of the device. The thermal mass is directly connected to the component thermal port H. An internal Ideal Heat Flow Source block supplies a heat flow to the port and thermal mass. This heat flow represents the internally generated heat.

The internally generated heat in the solar cell is calculated according to the equivalent circuit diagram, shown at the beginning of the reference page, in the Solar-Induced Current section. It is the sum of the i 2 R losses for each of the resistors plus the losses in each of the diodes.

The internally generated heat due to electrical losses is a separate heating effect to that of the solar irradiation. To model thermal heating due to solar irradiation, you must account for it separately in your model and add the heat flow to the physical node connected to the solar cell thermal port.

Examples

Solar Cell Power Curve

Generate the power-voltage curve for a solar array. Understanding the power-voltage curve is important for inverter design. Ideally the solar array would always be operating at peak power given the irradiance level and panel temperature.

Залишити відповідь